通信行業(yè)之硅光產(chǎn)業(yè)鏈深度研究：“超越摩爾”新路徑

1、通信行業(yè)之硅光產(chǎn)業(yè)鏈深度研究：“超越摩爾”新路徑 HYPERLINK /SZ002926.html 01 后摩爾時(shí)代，硅光技術(shù)“曙光初現(xiàn)”后摩爾時(shí)代，硅光技術(shù)成為降低IO功耗、提升帶寬的必要措施隨著信號速率每隔34年提升一倍，電信號能夠傳輸?shù)木嚯x在逐漸減小?；诔杀旧系目紤]人們還在盡量延續(xù)電信號傳輸?shù)膲勖?，但由于芯片封裝和工藝制 程能力不可能無限提升，IO速率不斷提升導(dǎo)致的功耗增加最終會(huì)觸碰到芯片封裝的 功率墻。因此，硅光技術(shù)成為降低IO功耗、提升帶寬的必要措施。海外硅光領(lǐng)域并購整合頻發(fā)，瞄準(zhǔn)未來賽道和核心科技硅光子是確定性技術(shù)發(fā)展趨勢，海外硅光并購整合頻發(fā)，瞄準(zhǔn)未來賽道和核心科技：目前硅光領(lǐng)

2、域并購集中在通信領(lǐng)域，硅光transceiver 公司大都被通信設(shè)備商收購，例如思科, Huawei, Nokia等，另外上游設(shè)計(jì)工具軟件也是并購重點(diǎn)方向。收并購情況看，硅光子具體技術(shù)路線在收斂確認(rèn)中（EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP)，產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)投入方向逐漸清晰，投資風(fēng)險(xiǎn)降低。02 什么是硅光？硅光原理：硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)硅光技術(shù)是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實(shí)現(xiàn)光子器件的集成制備， 該技術(shù)結(jié)合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢。硅光核心元器件：光源、光波導(dǎo)、調(diào)制

3、器、探測器硅光子核心器件主要包括以硅半導(dǎo)體材料的光有源及無源器件，包括硅基激光器（負(fù)責(zé)將電信號轉(zhuǎn)化成光信號）、硅基光 探測器（負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)化成電信號）、硅基光調(diào)制器（負(fù)責(zé)將光信號帶寬提升）、平面波導(dǎo)（負(fù)責(zé)光信號在硅基材料上 傳輸）、光柵耦合器（負(fù)責(zé)與對外連接的光纖對準(zhǔn)降低插損）等。硅光優(yōu)勢：小尺寸、低功耗、低成本硅光集成將核心部件和配件集成在一個(gè)晶片上，器件數(shù)量顯著縮小，密集度有所提升；硅光有機(jī)結(jié)合了成熟微電子技術(shù)和寬帶光電子技術(shù)，硅光方案既降低了硅光模塊、芯片等成本，又提高了可靠性?；旌霞稍砘旌霞墒菍⑹褂貌煌牧?、不同制作工藝制造出來的元器件組合安裝在同一襯底上，比如說基于 硅基的集

4、成(平面光波導(dǎo)混合集成，硅光等)，基于磷化銦的集成等，典型的混合集成是將有源光器 件(激光器，探測器等)集成到具有光路連接或者其他一些無源功能(分合波器等)的基板上(平面光波 導(dǎo)，硅光等)。單片集成原理單片集成是經(jīng)過相同制作工藝，將不同元器件集成在同一襯底上的一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起來有較大技術(shù)難度， 但具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢，是PIC的發(fā)展方向。利用硅光集成技術(shù)發(fā)展高折射率、尺寸和高集成度的高速光模塊是當(dāng)前研究者主要目標(biāo)。目前，本領(lǐng)域技術(shù) 人員已經(jīng)在硅光平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了高速率的硅光調(diào)制器，高速率檢測器，低損耗傳輸波導(dǎo)和波分復(fù)用等硅光器件。03 硅光替代分立光器件核心驅(qū)動(dòng)：流量&技

5、術(shù)進(jìn)步&邊際成本數(shù)據(jù)流量高速增長是硅光技術(shù)需求的原生動(dòng)力數(shù)據(jù)時(shí)代流量迅速增長對光通信性能提出更高要求，要求光通信行業(yè)做出變革，提高光通信產(chǎn)品的適應(yīng)性和技術(shù)性。數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換機(jī)芯片處理高速率流量需求不斷提高： 云數(shù)據(jù)中心的大型化將極大提升光模塊的使用量，同時(shí)對光模塊的傳輸距離有了 更高的要求，同時(shí)驅(qū)動(dòng)了光模塊工作速率不斷升級。光器件發(fā)展趨勢：高度集成、小型化、高速率葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)一步增加光模塊需求：傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)IDC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有利于解決南北向數(shù)據(jù)傳輸問題（IDC內(nèi)部與外部之間），然而伴隨著虛擬 化、云計(jì)算、超融合系統(tǒng)等應(yīng)用，使得東西向數(shù)據(jù)流成為主要流量，為了數(shù)據(jù)中心利用率以及效用最大化，越來越

6、多的數(shù)據(jù)中心采用了葉脊 類型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以葉脊架構(gòu)為例，光模塊總量是機(jī)柜數(shù)的46倍（傳統(tǒng)傳統(tǒng)三層架構(gòu)光模塊總量是機(jī)柜數(shù)的9倍）。光通信提升帶寬傳統(tǒng)模式逼近極限提高每個(gè)通道的比特速率，提升比特速率有兩個(gè)方法:1、直接提升波特率；2、保持波特率不變，使用復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)方式（如PAM4、QPSK， QAM16，QAM64等 ）。分離器件光模塊技術(shù)演進(jìn)瓶頸，硅光性價(jià)比提升硅光模塊在高速率下，仍具有器件小、穩(wěn)定性強(qiáng)和硅材料能耗低的特性，較傳統(tǒng)光模塊具有一定優(yōu)勢，因此硅光方案被相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)中心所采 用，硅光產(chǎn)業(yè)隨即得到發(fā)展。高階調(diào)制模式無法匹配信噪比，DSP成本高度提升高階復(fù)雜調(diào)制，如PAM4、QPSK

7、，QAM16，QAM64等，以提高比特率；以及更高的符號速率等。1）高階復(fù)雜調(diào)制，無法匹配光源信噪比，傳輸損耗增大：進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量可以采用高階調(diào)制格式如8QAM（8-level quadratureamplitude modulation）或16QAM，但是高階調(diào)制需要更高的OSNR（Optical-Signalto-Noise Ratio 光信噪比）。對于同樣的符號速率， 16QAM所需的OSNR比QPSK高近7dB，這意味著在同樣的光纖、光放大器和跨段距離的條件下，采用16QAM雖然可以把容量提高一倍，但 無電中繼的傳輸距離會(huì)降低5倍。有許多技術(shù)可以提高16QAM的傳輸距離，如采用拉曼

8、光放大器、低損耗和低非線性光纖、編碼調(diào)制技術(shù)、 非線性補(bǔ)償技術(shù)等等。2）DSP成本高度提升，商用化難度提升：光通信系統(tǒng)速率越高，電芯片成本在系統(tǒng)中的比例就越高，其中DSP芯片成本制約占主。DSP的復(fù) 雜程度直接影響了光模塊的成本與功耗。在100G時(shí)代，電芯片相關(guān)廠商有Macom、semtech，sillconlabs，Maxim等，商業(yè)化程度較高；而 400G時(shí)代電芯片則主要是Inphi、Broadcom、MaxLinear、Macom，供應(yīng)商較少，規(guī)模效應(yīng)未顯。400G以上的速率受限于激光器芯片速率及成本光通信中主要涉及到的芯片包含光芯片和電芯片。光芯片是光模塊中完成光電信號轉(zhuǎn)換的直接芯片，

9、又分為激光器芯片和探測器芯片；電芯片一方面實(shí)現(xiàn)對光芯片工作 的配套支撐，如 LD(激光驅(qū)動(dòng)器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路)，一方面實(shí)現(xiàn)電信號的功率調(diào)節(jié)，如MA(主放)，另一方面實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的DSP(數(shù)字信號 處理)。光芯片的成本占比通常在40%-60%，電芯片的成本占比通常在10%-30%之間。硅光對傳統(tǒng)光模塊行業(yè)鏈影響由于傳統(tǒng)光模塊制造過程中封裝工序較為復(fù)雜，需要投入較多人工成本，而硅光 芯片高度集成，組件與人工成本也相對減少，對于下游封裝廠或制造商的要求在 降低，尤其是2024 年后，采用硅光集成技術(shù)的光電共封裝（CPO）技術(shù)預(yù)計(jì)將會(huì) 成為主流模式，傳統(tǒng)光模塊生產(chǎn)制

10、造企業(yè)將會(huì)勉勵(lì)較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。04 典型廠商硅光產(chǎn)品布局匯總歐美先發(fā)領(lǐng)先，中國初步發(fā)展硅光技術(shù)自世紀(jì)初以來就在英美國家中受到重視。如英特爾和加州大學(xué)芭芭拉分校在硅光領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完成十多年的產(chǎn)研合作，在很多關(guān) 鍵性的問題取得重大突破，歐洲也開展了一系列項(xiàng)目來拓展硅光技術(shù)的深度與廣度，目前已經(jīng)取得一定成效。Acacia（思科收購）布局獨(dú)到的技術(shù)創(chuàng)新型公司Acacia是一家美國的硅光模塊生產(chǎn)廠商。該公司產(chǎn)品的特點(diǎn)是高性能；耗（AC1200 Flex目前實(shí)現(xiàn)了業(yè)界600G的最低功耗）；配套軟件 合理；內(nèi)置的DSP芯片開發(fā)水平高，計(jì)算能力出色；器件體型小。其兩款產(chǎn)品（AC1200 Flex、可插拔模塊

11、CFP2-DCO）被權(quán)威評測機(jī)構(gòu) Lightwaves innovation review評為滿分產(chǎn)品。Intel商用規(guī)模和先進(jìn)技術(shù)兼具的行業(yè)領(lǐng)頭者Intel布局硅光領(lǐng)域多年，在很多關(guān)鍵性技術(shù)上取得了重大的突破，也為公司取得了不菲的收入。2018年公司年報(bào)中披露，當(dāng)年公司的收入能 夠在傳統(tǒng)業(yè)務(wù)下滑的狀況實(shí)現(xiàn)增長，部分是依賴于硅光產(chǎn)品銷售取得的突破。Luxtera （思科收購）走在商用化前端的硅光公司Luxtera是一家專注于使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體晶圓代工廠生產(chǎn)光電收發(fā)器產(chǎn)品的硅光公司，其產(chǎn)品的方向主要是以數(shù)據(jù)中心，部分參與5G基礎(chǔ)設(shè)施。 該公司規(guī)模出貨量業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，在硅器件規(guī)?；a(chǎn)研發(fā)方面經(jīng)驗(yàn)深厚，與

12、晶圓制造加工廠商有著長久的技術(shù)合作關(guān)系，生產(chǎn)良率高，成本低。Mellanox（英偉達(dá)收購）混合集成，特色耦合Mellanox是一家以色列的端到端的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商。其硅光產(chǎn)品既可以支持名為InfiniBand的高速網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)，也可以支持以太網(wǎng)連 接標(biāo)準(zhǔn)，硅光收發(fā)器產(chǎn)品覆蓋1Gb/s到200Gb/s速率。100Gb/s收發(fā)器物理介質(zhì)分層覆蓋SR4到LR4，而200Gb/s僅支持短距離（100m以下） 應(yīng)用，均可進(jìn)行批量生產(chǎn)；與此同時(shí)，400G QSFP-DD DR4 500m 收發(fā)器也在2019年進(jìn)行了展出。Sicoya（蘇州熹聯(lián)光芯） 單片集成的先驅(qū)Sicoya是一家德國的硅光創(chuàng)業(yè)公司，2

13、017年以100G硅光子收發(fā)器進(jìn)入市場，該收發(fā)器使用130nm的硅鍺（SiGe）BiCMOS工藝制造，并聲稱 獲得客戶訂單。2019年，展示其EPIC光電集成的400G硅光子學(xué)技術(shù)，目標(biāo)指向QSFP-DD，OSFP和COBO封裝的400G數(shù)據(jù)中心市場。與此 同時(shí)，Sicoya宣布在中國天津宣布建立新工廠，專注于光收發(fā)器和光引擎的組裝和測試。05 硅光技術(shù)當(dāng)前技術(shù)評估硅光發(fā)展技術(shù)難點(diǎn)目前，已量產(chǎn)的硅光模塊，基于硅襯底的混合集成是主要方式。主要器 件包括：在硅襯底表面集成激光器（III-V族半導(dǎo)體，以InP為主）、調(diào) 制器（鈮酸鋰LiNbO3，具有優(yōu)異的電光效應(yīng)）、光探測器（Si中摻 Ge）、硅波

14、導(dǎo)（Si對于1.31m1.55m通信波段透明）、波分復(fù)用及 解復(fù)用器、耦合器等。高速環(huán)境中波分復(fù)用、解復(fù)用器件仍待成熟多路復(fù)用技術(shù)是把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道的技術(shù)，常見復(fù)用方式有波分復(fù)用、偏振復(fù)用、模式復(fù)用等。極大地拓展了光互連的通 信容量。其中目前主流的復(fù)用方式為波分復(fù)用，但隨著高速化需求的不斷加強(qiáng)，其他復(fù)用方式也會(huì)得到推廣。光纖耦合、熱管理仍待發(fā)展光纖耦合：Si波導(dǎo)和光纖的耦合一直都是硅光技術(shù)的難點(diǎn)。Si波導(dǎo)尺寸僅有幾百納米，與單模光纖9um的芯徑嚴(yán)重不符，直接耦合損耗過大。 耦合目前主要有光柵耦合和端面耦合兩種方式，模斑轉(zhuǎn)換器的損耗低，帶寬大。而光柵耦合器的對準(zhǔn)容差大、耦合位置不

15、受限制，可進(jìn)行芯 片級的測試，但對不同偏振需要單獨(dú)設(shè)計(jì)參數(shù)。整體來看，光纖耦合技術(shù)依然有很大突破的空間，依然存在高密度多通道耦合 、通道間不一 致 、高效自動(dòng)化耦合問題。06 硅光技術(shù)在通信領(lǐng)域進(jìn)展及市場硅光市場：主要應(yīng)用場景數(shù)據(jù)中心未來穩(wěn)步向好數(shù)據(jù)中心是指全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來在因特網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、展示、計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。近年來數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)在全球 范圍內(nèi)得到較快的發(fā)展，自2014年以來始終維持著較高的增長率，2018年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6253.1億元的市場規(guī)模。交換機(jī)容量2-3年翻倍，傳統(tǒng)可插拔光模塊路徑力不從心交換機(jī)容量2-3年翻倍， 51.2T容量后傳統(tǒng)光模塊路徑大概率走不通：

16、交換機(jī)的最高密度是1RU上可插32個(gè)400G光模塊，對應(yīng)的容量12.8T。假 設(shè)兩三年后800G光模塊已經(jīng)成熟并且尺寸功耗夠小，交換機(jī)還能變大一倍，2RU下最大也就能提供51.2Tb的容量了，基于當(dāng)前的可插拔模塊 的路徑是走不通了。07 硅光行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈詳細(xì)拆解及產(chǎn)業(yè)特征全球硅光產(chǎn)業(yè)鏈全景：海外廠商主導(dǎo)，國內(nèi)廠商跟隨硅光產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括PDA設(shè)計(jì)軟件、晶圓、外延、制造設(shè)備和原材料供應(yīng)商；中游包括設(shè)計(jì)、制造和封裝廠商；下游主要是通信網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備及其他相關(guān)設(shè)備廠商。PDA設(shè)計(jì)軟件：硅光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具硅光子設(shè)計(jì)從系統(tǒng)功能需求出發(fā)，基于功能分析和分解 ，設(shè)計(jì)出光子鏈路，并仿真獲得其可實(shí)現(xiàn)的功能性參數(shù)；

17、進(jìn)一步地，物理仿真與優(yōu)化， 獲得組成光子鏈路的器件結(jié)構(gòu)及布圖設(shè)計(jì)；然后基于器件的物理模型，分析鏈路集成中的寄生效應(yīng)并驗(yàn)證鏈路功能性，最后修正設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)。SOI晶圓：硅光子時(shí)代的“隱身”英雄制造硅光子芯片和器件最好、最自然的方法是使用絕緣體上硅（SOI） 晶圓: SOI材料相對于SiO2和 銦磷（InP）等材料體系具有更大的折射 率差，波導(dǎo)尺寸可以非常小。Foundry：國內(nèi)硅光商業(yè)化流片平臺(tái)很弱，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大短板硅光子集成制造關(guān)鍵技術(shù)工藝流程包括：外延生長、納米加工、異質(zhì)結(jié)構(gòu)鍵合、混合集成、器件封裝、高頻測試等，雖然相比于傳統(tǒng)CMOS工藝 大大簡化，但是也有眾多不同，至少需要對標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝增加 3 個(gè)工藝模塊：部分刻蝕、Ge 外延生長和光窗成型。08 硅光非通信市場想象空間大硅光子Fabless商業(yè)基礎(chǔ)初步形成，將極大擴(kuò)展硅光市場應(yīng)用目前由于硅光發(fā)展不成熟，硅光子產(chǎn)業(yè)鏈沒有像微電子產(chǎn)業(yè)一樣完全形成Foundry廠與硅光設(shè)計(jì)公司分開的產(chǎn)業(yè)格局，且硅光子集成度不高， 硅光器件的IP沒有完全形成與成熟，所以光器件也一般由Fabless自行設(shè)計(jì)。硅光Lidar：潛在應(yīng)用場景市場價(jià)值高自動(dòng)駕駛目前是各大公司和投資者重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。自動(dòng)駕駛汽車至少需要5類感應(yīng)器，其中Lidar作為感知的關(guān)鍵環(huán)節(jié)不可或缺。它主要負(fù)責(zé) 路上狀況感知，如感知行人、路面等，為智